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宽幅、大截面钢板桩在软土地区综合管廊基坑工程中的应用

宽幅、大截面钢板桩在软土地区综合管廊基坑工程中的应用

宽幅、大截面钢板桩在软土地区综合管廊 基坑工程中的应用


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摘要

摘要: 综合管廊的支护型式有灌注桩、SMW工法桩、U型钢板桩等,其中U型钢板桩支护具有环保、高效的特点,可多次重复使用。工程实践表明,在用钢量一定的情况,宽幅、大截面PU 600×210型钢板桩在管廊工程基坑中进行应用,具有更好的经济性、力学性质,且单根钢板桩重量适中。在华东地区某综合管廊基坑工程中实际应用后,取得良好效果。

关键词: 宽幅、大截面钢板桩;软土地区;基坑工程;综合管廊;


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引言

综合管廊是指在城市道路下面建造一个市政管道共用隧道,将电力、通信、供水、燃气等多种市政管线集中敷设并统一管理的构筑物,是保证城市平稳运行的“生命线”工程。

随着我国经济发展速度和城市建设步伐的加快,城市对市政管线的需求不断加大。住房城乡建设部、国家发展改革委组织编制的《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》中更是明确提出 “有序开展综合管廊建设,解决马路拉链问题”;国务院办公厅《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》(国办发[2015]61号)明确“至2020年建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊并投入运营”的工作目标。国家相关政策的颁布,极大促进综合管廊工程建设。至2017年底,我国已建和在建的综合管廊总里程已达到5000km。

综合管廊工程作为一种浅埋隧道工程,基坑支护工程是土建阶段一项非常重要的内容。根据各地区不同土质情况,选取安全、经济、高效的支护结构,是综合管廊工程设计的重要内容。长三角地区、珠三角地区及环渤海湾地区为滨海沉积软土和河滩沉积软土分布区,具有低强度、低透水性、高压缩性、流变性、触变性等地质特点[1],对支护结构设计较不利;同时,上述区域人员及建构筑物密集,对环境污染、噪音污染及施工进度等均有较高要求。


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工程概况

拟建管廊工程位于华东某市,为三舱/七舱干、支混合型综合管廊,纳入给水、电力、电信、燃气管线,部分路段纳入雨水、污水管线,拟建管廊均位于道路绿化带下。

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图1 综合管廊三舱断面与道路位置关系图


管廊工程基坑呈“线型”,为狭长型基坑,分段开挖时纵向设置临时边坡。本工程三舱断面管廊基坑总长约1240m、宽度12.5m~14.5m,普遍开挖深度约7.0m。

管廊工程先于拟建道路施工,道路外无明显需要保护的建构筑物、市政管线等,周边地块均为待开发地块。

根据上海市《基坑工程技术规范》DG/TJ08-61-2010[2]规定:该基坑安全等级为二级、环境保护等级为三级。


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工程地质和水位地质

上海位于东海之滨、长江入海口处,属长江三角洲冲积平原。场地内有暗浜、明浜、厚填土分布,地势起伏较大。典型地质右面如图1所示。

拟建场地在勘察深度(最大深度为45.3m)范围内揭露的地基土均属第四纪沉积物,主要由粘性土、粉性土及砂性土组成。其中,第③层、第④层为上海地区典型的淤泥质土层,厚度普遍达10m,普遍分布在基坑坑底附近,力学性质差、灵敏度高、流变性显著,不利于支护稳定性控制和变形控制。


表1 基坑围护设计参数一览表

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图2 典型地质剖面


场地浅层地下水属潜水,主要补给来源为大气降水及地表径流,埋深一般为地表下0.3~1.5m,水位受降雨、潮汛、地表水及地面蒸发的影响有所变化,年平均水位埋深一般为0.50m~0.70m。勘察期间实测地下水稳定水位埋深在0.82m~1.42m之间。

根据勘察报告,本场地勘探深度内主要赋存有第⑦1层、⑦2层的承压水。本次在拟建场地设置了3个承压水观测孔,观测期间测得的承压水水头稳定埋深约为6.24m~6.89m。按最不利角度考虑,承压水水头埋深为地表下3.0m。


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管廊基坑支护型式比选

基坑工程为临时工程,以为地下结构施工提供空间为目的。同时须保证基坑支护结构自身的安全和周边市政管线及建构筑物的安全。

随着技术发展及工程案例积累,基坑支护工程设计已由稳定性控制,向变形控制转变,基坑支护设计须满足各项稳定性安全系数和支护结构变形要求。

通常,开挖深度约7.0m基坑工程可采用的支护结构包括灌注桩排桩、型钢水泥土搅拌墙(SMW工法)及钢板桩等,分别具有如下优缺点:


  • 灌注桩排桩支护墙是由灌注桩挡土、止水帷幕截水共同形成的支护结构。具有工艺简单、技术成熟、质量易控制;噪音小、无振动、无挤土效应,施工时对周边环境影响小;支护桩刚度大,并可以根据基坑变形控制要求,灵活调整支护桩刚度。但是,灌注桩排桩将永久留在地下,其对后续横向地下空间开发将是地下障碍物;施工过程中产生大量泥浆,不利于环境保护;施工成本较高。一般适用于周边环境要求较高或地质情况复杂的基坑工程中。

  • 型钢水泥土搅拌墙,通常称为SMW工法(Soil Mixed Wall),是一种在连续的水泥土加固体内插入型钢形成复合挡土、隔水结构。该工法充分发挥了水泥土混合体和型钢的力学特性,具有经济性好、工期短、隔水性强、对周边环境影响小及可以节省社会成本等特点。但是,施工机械较重、搅拌桩强度与养护时间有关。一般适用于对支护结构有较高变形控制要求的基坑工程中。

  • U型钢板桩是一种带锁口热轧钢桩相互咬合形成钢连续墙的板式支护,可以用来挡土、挡水,一般结合钢支撑同时使用,具有施工便捷、效率高、绿色环保、可循环利用等特点。在合理选择沉、拔桩机械设备和钢板桩型号的情况下,钢板桩几乎可以适用各类地质条件和周边环境条件的基坑中。

综上所述,灌注桩排桩和SMW工法桩可靠性好、对周边环境影响小,但施工成本较、养护周期长。U型钢板桩支护环保、高效,基坑回填后可拔除、循环使用,对后续地下空间开发无影响。因此,U型钢板桩支护适合用在综合管廊“线型”分段施工类基坑中,可有效降低基坑支护工程成本,促进循环经济发展。

目前,租赁市场中常见的钢板桩型号有如下几种:

表2 U型钢板桩截面尺寸、截面面积、理论重量及截面特性

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PU编号说明见文章底部:小知识

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工程支护方案简介

本工程三舱断面管廊基坑普遍开挖深度约7.0m,采用PU600×210型钢板桩,牌号Q295P,小锁口打入,钢板桩平面布置大样图如图2所示;钢板桩采用整材,桩长18.0m,插入坑底以下10.25m,插入比1.46。如下图所示。

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图3 钢板桩平面布置大样图


采用两道水平钢支撑,双拼H500×300×11×18型钢围檩+Φ609×16钢管内撑。第一道钢支撑间距按6.0m布置,第二道钢支撑间距按3.0m布置,两道支撑竖向间距为3.0m,第二道支撑距坑底2.9m。

被动区加固采用2Φ700@1000两轴水泥土搅拌桩作墩式加固,采用格栅式布置;每40m设置一个,每个墩子长7.2m、宽度同管廊基坑。加固范围为坑底以下4.0m、坑底以上3.0m,水泥掺量分别为13%、8%。


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图4 基坑支护剖面示意图


通过计算,各项稳定性安全系数均满足规范要求,宽幅、大截面的PU 600×210型钢板桩支护结构位移、弯矩、剪力包络图如下所示。最大水平位移29.6mm,可以满足三级环境保护等级的变形控制要求;钢板桩边缘正应力M/W=138.1MPa,远小于钢板桩屈服强度295MPa,满足抗弯强度要求。

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图5 PU 600×210型钢板桩支护结构位移、弯矩、剪力包络图


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监测结果

施工前,建设单位委托有资质单位进行基坑监测,实现信息化施工。对现场深层水平位移(土体)和地表沉降监测数据处理、分析,如下图所示。

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图6 深层水平位移(土体)


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图7 地表沉降


可见,现场实测结果与理论计算(规范推荐方案)结果趋势近似,实测结果比计算结果普遍偏大。主要因为U型钢板桩支护结构是通过咬口相互作用形成的组合结构,咬口位于组合结构中性轴上,错动位移将影响组合结构的力学参数,设计计算中应对U型钢板桩支护结构理论力学参数打折后应用。

K3+530、K3+570、K3+640处监测点和K6+270、K6+340、K6+410监测点分别由两家监测单位实施、测量,其监测结果存在明显差异。U型钢板桩支护结构的深层水平位移(土体)为间接测量值,通过测量土体位移量反应支护结构变形量,监测点施工质量直接影响监测数据结果。

各监测点支撑处水平位移变形量普遍大于理论计算值。现场施工时,钢板桩施工时桩位有一定偏差,导致部分钢板桩未与钢围檩贴紧,且未在空隙处填充砌块或细石混凝土。开挖后,U型钢板桩支护桩变形将这部分空隙挤实后,才能将主动侧土压力传递至钢支撑上。

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结论

1) U型钢板桩支护环保、高效,基坑回填后可拔除、循环使用,对后续地下空间开发无影响。适合用在综合管廊“线型”分段施工类基坑中,可有效降低基坑支护工程成本,促进循环经济发展。


2) 宽幅、大截面的PU 600×210型力学性质更佳、单根重量更适合现场设备施工,具有更平衡经济性和力学性质,更适合在管廊工程基坑中进行应用。


3) 在华东地区某综合管廊基坑工程中实际应用后,取得良好效果,现场实测结果与理论计算(规范推荐方案)结果接近。


4) U型钢板桩支护结构咬口位于组合结构中性轴上,错动位移将影响组合结构的力学参数,设计计算中应对U型钢板桩支护结构理论力学参数打折后应用。


5) 钢板桩施工时桩位有一定偏差,须采取砌块或细石混凝土等措施填充钢板桩与钢围檩之间空隙。


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施工现场

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航拍视频


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编辑整理:项 敏

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小知识

关于钢板桩的代号


  • 国标《GB/T 20933-2007 热轧U型钢板桩》

    分类代号:
    U型钢板桩代号为:SP U 
    (其中SP为钢板桩英文名称 sheet pile 的缩写) 

  • 国标《GB/T 20933-2014 热轧钢板桩》
    (新标准代替2007标准)

    热轧钢板桩包括三类,具体品种及其代号如下:

    U型钢板桩,代号为:PU

    Z型钢板桩,代号为:PZ

    直线性钢板桩,代号:PI

    注:其中P为钢板桩英文(Pile)的首字母,U、Z、I 代表钢板桩截面形状
    ▶ 《热轧钢板桩》国标 GB/T 20933-2014

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▶ 上海北横通道23米钢板桩施工


▶ 《钢围堰工程技术标准》GB/T51295-2018

▶ 《综合管廊基坑支护》国家建筑标准设计图集17GL203-1 

▶ 《热轧钢板桩》国标 GB/T 20933-2014




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原文始发于微信公众号(拉森钢板桩):宽幅、大截面钢板桩在软土地区综合管廊基坑工程中的应用

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